Comprenons-nous vraiment la mécanique quantique ?

Comprenons-nous vraiment la mécanique quantique ?
2ème édition
Franck Laloë
EDP Sciences - Collection: Savoirs Actuels - 2th edition - January 2018
*
Comprenons-nous vraiment la mécanique quantique ?
Franck Laloë, Préface de Claude Cohen-Tanoudji
EDP Sciences, CNRS Éditions, 2e éd. révisée et augmentée, 2017, 594 pages
*
La mécanique quantique est à la base de notre compréhension actuelle des lois de la Nature, qu’elles s’appliquent à l’Univers entier, aux objets à notre échelle ou microscopiques. Toujours vérifiée par l’expérience, elle a permis de nombreuses découvertes et la mise au point de dispositifs variés tels que les lasers, les transistors, les capteurs pour la photographie ou la vidéo, etc.

Alors, pourquoi se poser la question « comprenons-nous vraiment la mécanique quantique ? ». C’est qu’une bonne utilisation de la théorie ne signifie pas toujours une véritable compréhension. Le physicien qui prend du recul s’aperçoit que le puissant outil intellectuel créé par les scientifiques semble parfois leur échapper, prenant une vie propre et mettant en lumière maints aspects inattendus que ses inventeurs n’avaient pas soupçonnés.

L’objet de ce livre est donc de discuter les fondements de la mécanique quantique. On y trouvera un exposé historique sur la naissance des concepts quantiques, leur développement, l’impact des idées de Bell et de son théorème et leur application récente à de nombreux domaines. Un panorama général des différentes interprétations est présenté en dernière partie. L’ouvrage est accessible à toute personne ayant une formation scientifique générale. Si des équations mathématiques apparaissent parfois, les idées importantes sont contenues dans les commentaires et les figures, l’accent étant mis sur les idées et les concepts généraux. Pour ceux qui ne sont pas très familiers de la mécanique quantique, un dernier chapitre contient un résumé des outils généraux de cette théorie et de leur utilisation. Le spécialiste pourra se reporter à une bibliographie très fournie. Depuis la première parution de l’ouvrage en 2011, la présente édition a été révisée et complétée pour tenir compte de nombreux résultats récents.
*
Il ne manque pas de physiciens éminents, y compris des prix Nobel comme Murray Gell-Mann, Gerard’t Hooft et Steven Weinberg, pour répondre « non » ou « pas encore » ou « pas complètement » à la question posée par le titre de ce livre.
Bien sûr, la majorité des physiciens adhèrent à l’« interprétation de Copenhague », orthodoxe, de la mécanique quantique (MQ), nommée ainsi en l’honneur du physicien danois Niels Bohr.
Mais si on les interroge sur ce que signifie cette interprétation, les réponses varient d’une personne à l’autre et aucune n’est très claire.

La MQ soulève trois questions fondamentales concernant notre vision du monde :

Elle semble donner un rôle fondamental à l’observateur. Celui-ci est-il nécessairement un sujet humain ? Est-ce que cela signifie qu’il existe (après tout) une action de la conscience sur le monde ?
Elle semble radicalement indéterministe. Y a-t-il réellement des effets sans cause dans la nature ?
Elle suggère l’existence d’actions instantanées à distance ou non locales.
La structure de l’espace-temps serait-elle radicalement différente de notre intuition, basée sur des actions se propageant de proche en proche ? Et qu’est-ce que cela implique concernant la théorie de la relativité qui semble interdire tout ce qui se propagerait plus vite que la lumière ?

Le fait que l’observateur ait un rôle vient de ce que, dans le formalisme quantique, ce qui représente l’état d’un système physique évolue différemment en dehors des mesures ou des observations et pendant celles-ci. Mais rien ne spécifie ce qu’est une mesure comme processus physique, d’où le rôle de deus ex machina que joue la mesure ou l’observation. La théorie ne prédit que de façon statistique les résultats de mesure et rien ne semble déterminer ceux-ci dans un cas particulier, ce qui implique l’indéterminisme. La non-localité provient du fait qu’une mesure faite en un endroit peut affecter le résultat d’une mesure faite à un autre endroit arbitrairement éloigné du premier.

Une façon de comprendre l’interprétation « de Copenhague » consiste à déclarer que les appareils de mesure sont classiques et ne sont pas soumis aux lois quantiques, ce qui est en contradiction avec le fait que ces appareils sont constitués de particules obéissant à ces lois. C’est pour souligner cela que le physicien autrichien Erwin Schrödinger a inventé son fameux chat qui, si on lui applique les lois quantiques dans une certaine expérience de pensée, doit être, avant qu’on ne le « regarde », dans un état « à la fois vivant et mort », ce qui n’a aucun sens. Par une ironie de l’histoire, un certain nombre de gens pensent que « la science » a démontré qu’un chat pourrait être dans un tel état, alors que Schrödinger appelait cette situation burlesque et y voyait une réduction à l’absurde de l’interprétation « de Copenhague ».

Franck Laloë passe en revue de façon quasi-exhaustive toutes ces questions, ainsi que les multiples solutions qui ont été proposées. Ce livre, bien que très clair, n’est pas un ouvrage de vulgarisation ; il s’adresse à des lecteurs ayant un certain bagage scientifique.
Le grand mérite de ce livre est d’ouvrir le débat dans un pays où l’orthodoxie quantique domine encore plus qu’ailleurs, bien que ce soit en France que les bases de la mécanique quantique moderne furent jetées en 1924 par Louis de Broglie, qui fut longtemps un critique lucide de cette orthodoxie.